張紹北

（中國南方電網(wǎng)超高壓輸電公司柳州局，廣西 柳州 545000）

0 引 言

輸電線路在線監(jiān)測系統(tǒng)是智能電網(wǎng)建設(shè)的重要組成部分，對掌控輸電線路實時狀態(tài)、提升輸電線路運行管控水平等方面起到了積極的推進作用[1]。各地主要采用運營商提供的無線公網(wǎng)傳輸輸電線路狀態(tài)數(shù)據(jù)，但公網(wǎng)大多布設(shè)在偏遠地區(qū)，存在信號覆蓋弱、傳輸速率低的缺點，只能用于傳輸圖像等低寬帶數(shù)據(jù)，像視頻類高寬帶數(shù)據(jù)則無法實現(xiàn)穩(wěn)定傳輸。公網(wǎng)通信模式使用費用高、維護環(huán)節(jié)較多，增加了數(shù)據(jù)傳輸成本。光纖傳輸具有傳輸效率高、實時性強的優(yōu)點，但存在施工困難、纖芯協(xié)調(diào)困難等實際問題。此外，有少部分輸電公司采用無線專網(wǎng)傳輸，雖然和公網(wǎng)相比傳輸相對穩(wěn)定，但是功耗較大，需要配備專門的電源系統(tǒng)，增加了維護成本。

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，大量異構(gòu)傳感器和采集業(yè)務終端連入輸電線路在線監(jiān)測系統(tǒng)。這些物理設(shè)備存在因通信串口、通信協(xié)議、傳輸媒介不同而引發(fā)的數(shù)據(jù)聯(lián)通問題，不僅對網(wǎng)絡傳輸帶寬的需求較高，而且大幅增加了采集數(shù)據(jù)量，增加了數(shù)據(jù)中心的工作強度。

邊緣計算作為一種能夠減少數(shù)據(jù)傳輸、就近及時處理數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡技術(shù)，非常貼合當前輸電線路狀態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)的需求。因此，重點研究當前在線監(jiān)測通信網(wǎng)絡的實際情況，設(shè)計合理的邊緣計算功能架構(gòu)和適用的邊緣計算通信組網(wǎng)，更好地完善輸電線路的實時監(jiān)控，為輸電線路的高效、穩(wěn)定運行提供助力。

1 邊緣計算

1.1 邊緣計算的概念

邊緣計算也稱為邊緣處理，是一種將服務器放置在本地設(shè)備附近的網(wǎng)絡技術(shù)。所有的數(shù)據(jù)處理都是在傳感器或生成數(shù)據(jù)的設(shè)備處執(zhí)行。服務器放置于設(shè)備附近，不僅有助于減少系統(tǒng)處理負載，還解決了數(shù)據(jù)傳輸延遲的問題[2]。

1.2 邊緣計算的優(yōu)點

（1）運營效率高。邊緣計算通過收集本地站點的數(shù)據(jù)實現(xiàn)大量數(shù)據(jù)的快速處理，相比原先將所收集的數(shù)據(jù)發(fā)送到幾個時區(qū)之外的中央云或主數(shù)據(jù)中心更節(jié)省時間，運營效率更高。

（2）響應時間快。傳統(tǒng)數(shù)據(jù)處理是將收集的數(shù)據(jù)統(tǒng)一發(fā)送至中央處理器，會出現(xiàn)數(shù)據(jù)延遲、網(wǎng)絡瓶頸以及數(shù)據(jù)質(zhì)量下降等問題。而邊緣計算能夠繞過集中式云和數(shù)據(jù)中心位置，可以更快、更可靠地實時處理數(shù)據(jù)，響應迅速。

（3）提高生產(chǎn)力。邊緣計算使企業(yè)能夠更快地完成項目交付，提高企業(yè)生產(chǎn)力。此外，在利用自動化和預測性維護的智能工作場所中，邊緣計算能夠確保員工所操作的設(shè)備平穩(wěn)運行，不會出現(xiàn)中斷或其他容易預防的錯誤。

（4）提高工作場所安全性。在設(shè)備故障或工作條件變化時，基于物聯(lián)網(wǎng)傳感器和邊緣計算所獲得的設(shè)備現(xiàn)場或附近的實時數(shù)據(jù)，能夠及時發(fā)現(xiàn)安全隱患，從而提高工作場所的安全性，保障人們的生命財產(chǎn)安全。

（5）更強的遠程控制能力。在互聯(lián)網(wǎng)連接時斷時續(xù)或網(wǎng)絡寬帶有限的遠程地點，邊緣計算能夠使數(shù)據(jù)收集變得更加容易、便捷，具有更強的遠程控制能力。邊緣計算自帶的處理器能夠記錄和處理實時數(shù)據(jù)，將相關(guān)數(shù)據(jù)傳輸?shù)街醒霐?shù)據(jù)中心進行進一步的處理和分析。

1.3 邊緣計算的應用場景

目前，邊緣計算憑借其優(yōu)勢已經(jīng)在諸多領(lǐng)域得到應用。第一，自動駕駛。汽車的人工智能芯片通過集成算法和傳感器，在車內(nèi)完成邊緣計算，從而保證車輛數(shù)據(jù)處理的實時性。第二，智能家居?；谶吘売嬎愫蜔o線傳感技術(shù)建立智能家具聯(lián)動機制，實現(xiàn)穩(wěn)定運行。利用家中的邊緣服務器節(jié)點，通過有線傳感器或無線傳感器收集信息，調(diào)控室內(nèi)環(huán)境。第三，智慧養(yǎng)老?；谑覂?nèi)傳感器和可穿戴設(shè)備采集用戶信息，通過邊緣計算節(jié)點進行用戶行為識別和異常判斷等。

此外，邊緣計算在智慧城市、智慧教育領(lǐng)域都有所應用。結(jié)合邊緣計算在智慧場景中的各種應用，應用邊緣計算推動智慧電力的發(fā)展，前景相當可觀。

核心功能模塊是邊緣計算設(shè)備最關(guān)鍵的部分，其發(fā)揮著重要作用。協(xié)議解析主要是針對通信接口和通信協(xié)議的多樣性，開展相應的接口適配和通信協(xié)議轉(zhuǎn)換，保證多樣化數(shù)據(jù)的快速傳輸。此外，在不同的協(xié)議與接口之間進行數(shù)據(jù)交換處理，實現(xiàn)異構(gòu)設(shè)備之間的信息聯(lián)通。

數(shù)據(jù)處理模塊主要針對終端裝置采集的數(shù)據(jù)進行存儲、整理及分析處理，通過存儲實現(xiàn)數(shù)據(jù)的后續(xù)可查，通過整理實現(xiàn)無效數(shù)據(jù)的清除，通過分析處理實現(xiàn)對數(shù)據(jù)信息的反饋。數(shù)據(jù)處理主要涉及兩方面內(nèi)容：一方面是針對數(shù)值數(shù)據(jù)進行處理，若數(shù)值超過事先設(shè)定的告警閾值，則發(fā)出故障告警信息；另一方面是針對圖像數(shù)據(jù)進行處理，若現(xiàn)有圖像與事先設(shè)定的圖像之間存在一定比列的偏差，則發(fā)出故障告警信息。

邊緣計算模塊負責對采集的數(shù)據(jù)和圖像信息進行本地計算，依據(jù)結(jié)果對應的設(shè)定行為發(fā)出行動指令，從而保障輸電線路的穩(wěn)定運行。通過邊緣計算可減少不必要的數(shù)據(jù)傳輸，簡化數(shù)據(jù)中心的處理工作，有助于釋放通信帶寬并降低數(shù)據(jù)中心荷載。

智能管控模塊負責執(zhí)行安全接入、資源配置等管理邏輯，并監(jiān)測傳輸信號的報文傳輸平均時延，進而依據(jù)報文傳輸平均時延切換不同的通信方式。

安全防護模塊主要負責邊緣計算設(shè)備自身、接口及通信3個方面的安全保護。對于設(shè)備自身的安全防護，可以添加具有安全監(jiān)測和分析功能的硬件模塊；對于接口的安全防護，可以添加安全準入模塊對終端設(shè)備的接入提供預防，添加安全接入模塊實現(xiàn)與管理平臺的雙向傳輸；對于通信的安全防護，可以綜合運用安全準入模塊、安全接入模塊以及加密模塊。

設(shè)備管理模塊主要實現(xiàn)輸電邊緣計算設(shè)備的信息查詢和配置管理，提供遠程調(diào)試、監(jiān)控及運維接口，可監(jiān)測設(shè)備本體狀態(tài)、通信鏈路的運行狀態(tài)等。

人工智能模塊主要識別輸電線路通道附近和通道內(nèi)是否存在外力破壞等安全隱患，實時分析并識別大型施工車輛、煙火以及異物等目標，為輸電線路通道的故障報警和智能運維提供支撐。

2 輸電線路在線監(jiān)測通信網(wǎng)絡邊緣計算功能架構(gòu)設(shè)計

根據(jù)邊緣計算功能需求和輸電線路在線監(jiān)測組網(wǎng)需求，設(shè)計的輸電線路邊緣計算設(shè)備由通信接口、硬件平臺、軟件平臺以及核心功能模塊4部分組合而成，具體如圖1所示[3]。

圖1 輸電線路邊緣計算設(shè)備結(jié)構(gòu)

由圖1可知，輸電邊緣計算設(shè)備架設(shè)在物聯(lián)管理平臺和可視化監(jiān)控平臺之間，其中多樣化的通信接口能夠滿足邊緣計算設(shè)備與異構(gòu)終端裝置和管理平臺之間的通信需求。硬件平臺為邊緣計算設(shè)備的運行提供了必要的硬件支撐。軟件平臺為邊緣計算設(shè)備的核心功能提供安全的運行環(huán)境。

核心功能模塊是邊緣計算設(shè)備最關(guān)鍵的組成部分，其管控、安全防護以及設(shè)備管理都屬于常規(guī)功能。協(xié)議解析主要針對通信接口協(xié)議進行解析，實現(xiàn)相應的接口適配和通信協(xié)議間的轉(zhuǎn)換，以保證能夠進行數(shù)據(jù)多樣化傳輸。除此之外，在不同的協(xié)議與接口之間進行數(shù)據(jù)交換處理，實現(xiàn)異構(gòu)設(shè)備之間的信息聯(lián)通。

針對終端裝置所采集的數(shù)據(jù)進行存儲、整理以及分析處理，通過存儲實現(xiàn)數(shù)據(jù)的后續(xù)可查，通過整理實現(xiàn)無效數(shù)據(jù)的清除，通過分析處理實現(xiàn)對數(shù)據(jù)信息的反饋。數(shù)據(jù)處理主要涉及2方面內(nèi)容：一方面是針對數(shù)值數(shù)據(jù)進行處理，若數(shù)值超過事先設(shè)定的告警閾值，則發(fā)出故障告警信息；另一方面是針對圖像數(shù)據(jù)進行處理，若現(xiàn)有圖像與事先設(shè)定的圖像之間存在一定比列的偏差，則發(fā)出故障告警信息。

人工智能主要識別輸電線路通道附近和通道內(nèi)是否存在外力破壞等安全隱患，實時分析并識別大型施工車輛、煙火以及異物等目標，為輸電線路通道的故障報警和智能運維提供支撐。

3 基于邊緣計算的通信組網(wǎng)方案設(shè)計

目前輸電線路狀態(tài)監(jiān)測傳感器一般架設(shè)在塔桿上，因此輸電線路狀態(tài)在線監(jiān)測通信組網(wǎng)可將邊緣計算設(shè)備設(shè)置在一個塔桿上，根據(jù)輸電線路塔桿的位置狀態(tài)，以這一塔桿為數(shù)據(jù)匯聚中心，構(gòu)建星型無線網(wǎng)絡和Mesh無線網(wǎng)絡。將網(wǎng)絡覆蓋的所有塔桿數(shù)據(jù)匯聚一體后，通過點對點高速率無線網(wǎng)絡接力的方式將其傳輸至變電站。星型無線網(wǎng)絡部署如圖2所示，Mesh無線網(wǎng)絡部署如圖3所示。

圖2 星型無線網(wǎng)絡部署

圖3 Mesh無線網(wǎng)絡部署

3.1 塔桿間無遮擋的通信組網(wǎng)

在輸電線路塔桿之間沒有遮擋或塔桿局部處于相對平行的情況下，可以選擇將一根中心塔桿作為匯聚節(jié)點，圍繞中心塔桿的其他塔桿會將收集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)街行乃U的邊緣計算設(shè)備，構(gòu)建星型網(wǎng)絡[4]。其中，中心塔桿與周圍塔桿聯(lián)通的個數(shù)可以根據(jù)現(xiàn)場實際情況進行選擇，一般可以按照1對8、1對12或1對16等不同組網(wǎng)形式實現(xiàn)。這種組網(wǎng)方式結(jié)構(gòu)簡單，且抗單點失效性能強。匯聚塔桿與周圍塔桿之間的通信可采用全向天線，使用2.4 GHz通信頻段進行通信，具體應用中需要保證其中任意2個相鄰的星型網(wǎng)絡通信頻段不在同一頻點，避免產(chǎn)生信號干擾。

3.2 塔桿間有遮擋的通信組網(wǎng)

輸電線路上塔桿局部走勢為直線或塔間有遮擋的情況下，可以選擇在一個塔桿上安裝邊緣計算設(shè)備，并以這一塔桿為中心向單邊輻射，將附近的塔桿收集到的數(shù)據(jù)匯聚到邊緣計算設(shè)備中構(gòu)建Mesh網(wǎng)絡[5]。單邊輻射塔桿的數(shù)量可以根據(jù)現(xiàn)場實際情況，選擇4跳、5跳或6跳等不同的組網(wǎng)方式，以有效避免信號衰減帶來的通信問題。匯聚塔桿與周圍塔桿之間的通信可采用全向天線，使用2.4 GHz通信頻段進行通信。同時，要保證其中任意2個相鄰的Mesh網(wǎng)絡通信頻段不在同一頻點，避免產(chǎn)生信號干擾的問題。

4 結(jié) 論

通過將邊緣計算融入輸電線路狀態(tài)在線監(jiān)測組網(wǎng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對網(wǎng)絡覆蓋范圍內(nèi)輸電線路的信息高效處理，同時可以保證只有在出現(xiàn)特定異常情況時，數(shù)據(jù)才會由邊緣計算設(shè)備向管理中心傳輸，有效解決了帶寬問題。除此之外，在面對突發(fā)問題時，借助邊緣計算能夠及時處理反饋信息，從而采取合理的解決措施。通過對基于邊緣計算的輸電線路在線監(jiān)測通信組網(wǎng)技術(shù)的拓展，能夠優(yōu)化完善輸電線路狀態(tài)的監(jiān)測，提供更加穩(wěn)定、安全的實時信息反饋，為輸電線路的巡查維護工作提供更大的便利。